霍尔效应的发现.doc

霍尔效应的发现、发展与应用 当通有电流的导体或半导体置于与电流方向垂直的磁场中时，在垂直于电流和磁场的方向，该导体或半导体的两侧会产生一个电势差，这种现象称为霍尔效应。随着半导体技术的发展，霍尔效应和霍尔传感器在科研和工业生产中得到了非常广泛的应用。因而，了解霍尔作出这一重要物理发现的历史过程是很有意义的。 1879年，霍尔在霍普金斯大学的研究生院跟随罗兰教授学习物理学。他在阅读麦克斯韦电和磁一书的有关部分时，注意到其中有这样一段话：“必须小心地记住，作用在穿过磁力线的有电流流过的导体上的机械力，不是作用在电流上的，而是作用在流过电流的导体上的。”霍尔认为麦克斯韦这一论断与人们考虑这一情形时的直观推想是矛盾的。不带电流的导线不会受到磁力的作用，而通有电流的导线所受的作用力与电流大小成正比，而作用力的大小通常与金属丝的尺寸和材料是没有关系的。恰好在不久之前他又读到了一篇名为单极感应的论文，文中作者明确指出，磁场作用在一固定导体中的电流上，与它作用在自由移动导体上是完全相同的。这两位物理学家的见解截然相反，到底谁的说法才是正确的呢？霍尔决定用实验来找出答案。 霍尔初步考虑：“如果在固定导体中的电流本身会受到磁场的作用，电流会被吸引到导体的一侧，因此所产生的电阻应当增加。”于是霍尔沿着这一思路设计实验，用惠斯通电桥测出导体的电阻发生了百万分之一的变化。但是，霍尔随即发现，电阻的变化可能是由电磁铁的磁极将热量传给了电阻而引起的。于是霍尔小心地排除了所有热效应的影响，结果发现磁场所引起的平均电阻变化约为五百万分之一，因而可以认为磁场没有引起电阻发生变化。 大部分人做到这一步可能就会选择认同学术权威麦克斯韦的理论，但霍尔坚持认为虽然导体电阻在磁场的作用下没有发生变化，但这还不足以说明磁场对电流没有影响。他设想磁场有迫使电流偏向导体一侧的趋势，但实际上又没有真正地发生偏转，由此他想到应当测量导体两侧对应点的电势差。于是他将一个金属圆盘放在电磁铁的两极之间，使圆盘平面垂直于磁场方向，使电流沿着圆盘的一条直径流过。用灵敏电流计的两输入端与圆盘豆额不同部分相连通，通过它测量电流的大小，在电磁铁未通电时找到两个几乎等电位的点，此时检流计几乎无电流通过。接通励磁电流后，重新观察电流计，以便检出这两个输入端的电势变化。但不幸的是，这次实验仍然没有给出正确的结果。 两次实验失败后，霍尔并没有灰心丧气。相反，他主动地与导师讨论，认真地总结实验失败的原因。当时经典的电子论还没有建立，他就将电流类比为水流，假定人们使某种东西靠近水流的一根管子，这种东西具有吸引水流的作用。水会明显地压向这一侧的管壁，但是不会被压缩，它不能沿着压力的方向运动，结果只是简单的压力变化。如果沿着管子的直径打一个孔，这样得到的管壁两侧的两个小孔用另一根管子连起来，将有水从一端流入一端流出。那么，垂直于电流方向的两侧对应点上，是否会有电流流过呢？按照这一思路，霍尔重新进行试验，终于在检流计上观察到明显偏转。后人为了纪念霍尔的这一伟大发现，将这一物理现象命名为霍尔效应。 从霍尔发现霍尔效应的过程中我们可以看到，要想成为一名科学家，要想在科学领域有所成就，必须具备敢于质疑权威、挑战权威的勇气和实事求是、坚持不懈的作风。如果霍尔像其他人一样不敢对麦克斯韦的论断有丝毫怀疑，如果霍尔没有在实验失败后继续坚持， 那他就不可能发现霍尔效应。在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍尔效应，这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一，克利青为此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。之后，美籍华裔物理学家崔琦和美国物理学家劳克林、施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。2007年复旦校友、斯坦福教授张首晟与母校合作开展了“量子自旋霍尔效应”的研究。“量子自旋霍尔效应”最先由张首晟教授预言，之后被实验证实。这一成果是美国科学杂志评出的2007年十大科学进展之一。如果这一效应在室温下工作，它可能导致新的低功率的“自旋电子学”计算设备的产生。 工业上应用的高精度的电压和电流型传感器有很多就是根据霍尔效应制成的，误差精度能达到0.1%一下。而如今，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破，他们从实验中首次观测到量子反常霍尔效应不需要外加磁场的霍尔效应，这是中国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象，也是物理学领域基础研究的一项重要科学发现。霍尔效应广泛应用于各种电力系统中，为人们的生活带来了许多便利。迄今为止，仅已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件就有：分电器上的信号传感器、ABS系统中的速度传感器、速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断器、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关等等。以汽车点火系统为例，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器内随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能。再比如用作汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。我们知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。而新近发现的量子反常霍尔效应也具有极高的应用前景。量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此至今没有广泛应用于个人电脑和便携式计算机上因为要产生所需的磁场不但价格昂贵，而且体积大概要有衣柜那么大。而反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转，反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的。这意味着我们有可能可以利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用：无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片，进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生这意味着个人电脑未来可能得以彻底更新换代。从霍尔效应到反常霍尔效应，再到量子霍